高压离心制冷机组自耦降压启动中负序跳闸的原因分析及处理

王玉

中国第十八冶金建设有限公司（重庆400050） 

摘要：某综合办公楼的三台大功率高压离心制冷机组在降压启动过程中，时常出现负序一段动作跳闸的情况，经多方论证分析和现场试验，最后找到原因，并加以参数调整试验，最终得以解决。

关键词：高压制冷机组；自耦降压启动；负序一段跳闸；参数调整；

0、前言

重庆某综合办公大楼共有三台双机头离心制冷机组，每台的功率为2*621KW，供电电压是10KV。它们负责为总面积为34.69万平的办公楼提供冷量。由于功率较大，设计采用的是自耦降压启动，其系统原理图如图1所示。

图1 自耦降压启动系统原理图

1、故障现象

2022年6月，业主陆续开始入驻办公，空调机组必须尽快完成调试并投用。按照正常的开机启动顺序，把离心机组的冷却、冷冻水系统都开启之后，就在机组上的画面开始启动，但是三台机组，都无一例外地出现了自耦降压启动无法完成的情况，从10KV开关柜的微机综合保护故障记录上可以发现保护跳闸记录为负序I段跳闸，动作电流为0.410A，动作时间为302ms（如图2所示）。同时查阅保护定值表，可以得知负序一段的动作电流为0.42A，动作时间为0.3S（如图3所示）。施工方曾提出欲将0.3S的时间进行延长调试，但是空调厂家不同意，因为冷水机组的铭牌上明确标示出负序I段电流的动作时间只能是0.3S。

图2 故障动作记录                        图3 保护定值表

2、负序电流产生的常见原因及可能产生的危害

负序电流产生的常见原因主要有两类，一类是事故性，另一类是正常性。事故性是由于三相电力系统中某一相或两相出现故障所致，比如在电动机工作时，出现反相，断相，匝间短路以及较严重的电压不对称等，使三相电流的较大不对称产生的[1]。此类事故性负序电流的继电保护措施一般是启动负序I段速断保护来进行切断[2]。正常性负序电流的产生则是由于三相元件的不对称所致，正常工况下，负序电流很小（接近为零）[3]。不论事故性或者正常性，继电保护的原则大多采用负序电流值和时间来共同判定，因为正常性负序电流的幅值可能不大，或者即便短时较大，但不会持续存在，一般厂家会设定一定的时限，如0.3秒。
    负序电流的危害主要有两方面。一方面是它会在电动机气隙中产生反向(与正序电流产生的正向旋转磁场方向相反)旋转磁场，它相对于转子来说为2倍的同步转速，因此在转子中就会感应出100HZ的电流，即所谓的倍频电流，该倍频电流的主要部分流经转子本体在转子端部附近沿周界方向形成闭合回路，这就使得转子端部等部位局部灼伤，严重时会使给电机造成灾难性破坏，即通常所说的"负序电流烧机"[4]。 另一方面是负序(反向)气隙旋转磁场与转子电流之间，正序(正向)气隙旋转磁场与定子负序电流之间产生的100HZ的交变电磁力矩，将同时作用于转子大轴和定子机座，引起频率为100HZ的振动，危及电动机安全运行。

3、跳闸原因分析

通过查阅高压电机启动柜的微机综合保护器事件记录界面，可以得知，负序I段跳闸时的动作电流是0.410A，动作时间是302毫秒。比对离心制冷机组的电动机启动柜定值设定表（见表1）

表1 离心制冷机组的电动机启动柜定值设定表

额定电压 Rated Voltage		Ue=10/0.1KV
电流互感器变比Current Transomer Ratio		K=75/1
额定负载电流Rated Load Current		RLA  (根据电动机实际参数取值）
堵转电流 Locked Load Current		LRA  (根据电动机实际参数取值）
启动完成时间Electic Motor Starting Time		14S   (根据电动机实际启动完成时间取值）
时间集电器KT1设定：12S		时间集电器KT2设定：1S
保护功能	动作值	动作时间	保护压板状态
过负荷	1.2RLA/K	12S	投入
过流（Ⅱ段）	2.0RLA/K	2S	投入
速断（I段）	0.7LRA/K	0.0S	投入
I段启动倍数	2		投入
负序I段电流	0.8RLA/K	0.3S	投入
低电压	90V	3S	投入
过电压	110V	3S	投入
电压不平衡度定值	5%	2.0S	投入
断相动作时限		0.5S	投入
两相保护电流			投入
两相测量电流			投入
零序电流	0.1A	1.5S	投入

查阅离心制冷机组的铭牌可知：额定电流1号压缩机40A，2号压缩机43A，堵转电流219A。那么按照上表的原则，1号压缩机的负序I段电流的定值为0.8*40/75=0.426A，动作时间设定为0.3S。复核定值表，分别为0.42A和0.3S，基本判定定值设定符合保护规则。

接下来，就是要分析目前引起负序电流I段跳闸的因素有哪些，该负序电流究竟是事故性，还是由于三相元件不对称的正常性负序电流，以及这样设定的依据是否绝对合理，主要做了以下几方面的工作。

（1）查阅微机综合保护器说明书，进一步了解负序电流I段动作的逻辑原理及条件

[5]。
    WGB-651A微机电动机保护测控装置技术说明书规定，装置设有两段定时限和一段反时限负序过流保护，由压板分别进行投退。负序过流分别对电动机反相、断相、匝间短路以及较严重的电压不对称等异常运行状况提供保护。其中，负序电流Ⅰ段保护为负序速断保护，为不平衡保护的主保护，只动作于跳闸。负序电流Ⅱ段为不平衡保护的后备保护，由控制字选择为跳闸或告警。负序定时限电流保护原理框图如图4。

图4 负序定时限电流保护原理框图

负序反时限过流保护公式为 ：       

式中，I为负序电流；t为动作时间；IP负序反时限定值；TP为负序反时限定时间常数，可由控制字选择跳闸或告警。

根据前述离心制冷机组的电动机启动柜定值设定表（表1）的定值及保护压板投入状态，本工程主要考察负序I段的动作逻辑，即负序电流I2达到设定动作值（负序I段定值），保护压板投入的条件下，两个条件共同满足，则启动负序I段速断保护，当动作时间达到设定的0.3S即进行负序I段跳闸。结合我们在试车过程中的跳闸动作记录，确实如此。

（2）分析本项目负序电流可能产生的原因

负序电流的产生无外乎是由于反相，断相，匝间短路以及较严重的电压不对称、三相元件不对称等所造成的三相电流较大不对称。

①从系统电压监测和二次电压相序检测可知，电网三相电压正常，相序为顺相序，不存在反相的问题。

②根据电动机出厂测试报告和自耦变压器的出厂直流电阻测试报告，系统主回路设备不存在匝间短路的问题。

③剩下的两个方面就是查找是否在启动中存在断相或者较严重的电压不对称的问题。

从整个系统主回路检测结果分析，整个负载和线路都是完整的，也不存在断相的问题。但唯一可能的是在启动瞬间，由于真空接触器KM2和KM3三相主触头闭合时候的不同期所造成。查阅真空接触器的铭牌及技术参数，该真空接触器为施耐德（陕西）宝光电器有限公司生产的VCBG-12E型户内交流高压真空接触器，合闸时间小于0.15S,合闸弹跳时间≤2mS。分析该自耦启动控制原理图可知，在启动之初，KM2先合闸，然后利用KM2的辅助触头去合闸KM3。也就是说，当两个高压真空接触器合闸的时候，就可能会耗掉0.3S 的时间，再加上三相触头的合闸弹跳时间2mS,当KM2和KM3完成闭合（约为302mS时），把自耦降压变压器刚好接入电路的时候，就发生三相大电流不平衡。

实质上，当在启动开始后的302mS时，刚好是负责把自耦变接入电动机启动回路的高压真空接触器KM2和KM3完成闭合，电压加到三相电动机上面，此时，三相电动机受电，尽管不是全压，仍然会产生一个较大的启动电流，这个电流符合大电流的特征，同时可能符合不平衡的特征。

因此，我们根据上述的分析，大致了解到为什么负序I段跳闸时间在302mS的原因，这是我们后面将要想法解决的问题之一。

同时，我们要着手分析三相大电流不平衡的问题，因为在电动机主回路中串接了三相自耦变压器绕组，出厂时接入电动机的是5600V抽头，理论上这个抽头的电压最低，降压启动效果应该最好，该启动电流比8000V抽头所对应的启动电流应该更小。但是，由于自耦变压器三相绕组及其抽头的直流电阻以及磁路耦合上的原因，三相要做到百分百相同是几乎不可能的。所以，只要是在国家产品制造规范的合理误差范围内，变比误差为±0.5%，线间误差不大于平均值的2%，即视为合格。

从自耦变的出厂测试记录来看，变比和直流电阻都是在合格范围之内，说明自耦变本身是没有问题的，但是存在天然的产品制造误差，也就是所谓的三相元件不对称性所导致的正常性负序电流，这在施工或者调试阶段是无法更改的。

因此，可以梳理出这样的场景：当高压启动柜的真空断路器QF1合闸后，QF1的辅助触点启动负责降压启动的真空接触器KM2，0.15S之后，自耦变压器得电，产生空载励磁涌流（约为正常电流的6-8倍），该励磁电流里面的负序电流分量幅值达到设定值，即启动负序电流延时。与此同时KM3得电吸合，加上2mS合闸弹跳时间，即0.302S后，10000V电压通过自耦降压器降成5600V电压加到电动机绕组上，电动机开始启动。

电动机的起动电流由于三相电压的瞬时不平衡，以及自身绕组磁阻等因素，电动机启动过程中，本来允许有0.8倍的额定负载电流大小的负序电流和0.3S的负序电流时间。而本工程中，由于前面两个高压真空接触器的合闸已经消耗掉0.302S的时间，所以启动过程中，当真正的负序电流产生的时候，电流值是会毫无疑问地超过负序I段的定值，而时间早已耗尽，所以一旦电流值达标，瞬间跳闸，表现为负序I段速断跳闸。

4、试验及解决办法

为了节约时间，我们在现场的试验主要采用了查阅出厂试验报告结合交接试验来验证的方法。针对问题出在自耦降压启动环节，我们重点检查和复核了这部分的元器件。

（1）测量自耦减压变压器的各绕组直流电阻和变比及误差。

利用感性负载快速测量微欧计来测量各绕组的直流电阻，来判断各个绕组及其抽头焊接质量是否完好。测试记录如下：

表2 自耦变压器绕组及抽头直流电阻现场测量记录

测试项目：绕组直流电阻测定				温度：38℃	2022.07.06
高压绕组	实测值（Ω）			线间最大误差（%）	是否合格
	A-B	B-C	C-A
	0.3439	0.3446	0.3445	0.2	合格
低压绕组	A3-B3	B3-C3	C3-A3
	0.17880	0.17925	0.17910	0.25	合格
备注：判定依据为GB50150-2016电气装置安装工程电气设备交接试验标准

（2）测量自耦变压器的变比

表3 自耦变压器变比及接线组别现场测量记录

测试项目：变比及接线组别测试				温度：38℃	2022.07.06
极性		组别：12
档位		Ш
高压（V) 10000	低压(V) 5600		计算变比	测量误差	相位偏差	结论
			1.7828	-0.16%	-0.182°	合格
			1.7832	0.14%	-0.147°
			1.7820	-0.21%	-0.157°
备注：判定依据为GB50150-2016电气装置安装工程电气设备交接试验标准

（3）采用全压启动，来验证是否启动时间累计过长问题。

   在原来控制原理基础上，采用短接跳线，让KM2不动作，而让KM1直接启动，全压启动正常，没有出现跳闸现象。通过对启动画面的录像分析，全压启动，最大电流发生在电动机受电之后的第5秒，为额定电流的320%，证明设备和主回路正常，间接证明投入自耦降压启动要动作是一种误动作，或者说这种负序电流是一种正常的由于三相元件不对称所导致的正常性负序电流。

（4）恢复原降压启动控制回路，采用修改微机综合保护器负序I段动作时间，来躲累计时长的问题。

    在前面各种因素的综合判断基础上，基本可以判定本项目的负序电流是属于三相元件不对称所造成的正常性负序电流，主要通过修改微机综合保护器上面负序I段的动作时间即可解决问题。先将微机综合保护器负序I段动作值由原来的0.30S调整为0.31S，即在原来基础上，增加10毫秒的保护动作时间，以躲过启动瞬间，三相不平衡所产生的负序电流。经验证，三台压缩机均能正常启动。为避免电压波动等误动作，最终将负序一段的动作时限设定为0.5S。

（5）采用改变自耦变压器启动回路控制原理，将KM2和KM3同时启动，减少累计动作时间的问题。

经过与设计人员沟通，试图采用将KM2和KM3同时启动的方案，以及将KM3修改为短接自耦变压器星点的方案，但是设计人员表示，不同意。理由是：目前这种设计方案的好处是可以在启动完成后，将KM2和KM3断开，就相当于把自耦变从10KV的高压中脱离，对自耦变的绝缘有好处，相当于更安全。如果要更改短接星点的方案，就需要增加高压穿墙套管和改变接线方式，只能返回工厂进行加工制作，成本高，动作大，不现实。另外，启动过程中，先合KM2，自耦变的星点是正常短接的，相当于让变压器先受电，然后再合KM2,输出电压到电动机，这样顺序启动就可以避免电动机和变压器同时受电，避免变压器合闸励磁涌流和电动机启动电流的叠加。鉴于上述原因，这种设想就没有具体实施。

5、结束语

本次高压离心机组降压启动跳闸原因的分析采用了由果索因及排除法、试验法等分析方法。从高压电机的自耦降压启动过程中负序I段故障跳闸这一表面现象，找出其内在实质的原因和规律，为后续的故障处理提供科学的理论依据和事实依据。特别是通过现场试验，进一步证明主回路的自耦降压变压器、真空接触器、真空断路器等元器件都是合格的，从而证明本项目的负序I段电流是属于正常性负序电流，是由于三相元件的不对称所致。

采取的主要处理办法就是通过调整和修正微机综合保护装置的负序I段动作时间。这一步看似很简单，但是调整这个时间参数是在基于前述多方面客观分析和验证的基础上得出的。其主要依据就是，通过分析本项目降压启动电气控制原理图，得出启动之初，真空接触器KM2闭合之后（合闸时间0.15S），自耦变压器空载励磁涌流（为正常额定电流的6-8倍）触发了负序I段保护，然后KM3再吸合时(合闸时间0.15S)，主回路电流再叠加电动机启动电流，配合两个真空接触器的吸合时间以及其自身的合闸弹跳时间2ms,所以就导致了302ms时无一例外地跳闸的结果。

离心机组厂家设定的负序一段保护时间为0.3s，其计算时间是从电动机得电开始计时。实质上，本工程的电动机得电前302ms都仅仅是两个真空接触器的吸合时间而已，相当于初始值是0.302s，经过试验，修正为0.5s，电动机的自耦降压启动即可完成，那就没有必要再继续调整到0.6s，何况电机的主保护里面还有0.5s断相保护。以上结论，通过和离心机组现场调试人员、业主物业人员的耐心细致沟通，也得到了一致的认可。最终达到了求同存异，解决问题的目的，为工程的完工和顺利移交创造了条件。

参考文献：

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[2]李荣华,周宏云,夏艳梅. 高压电动机负序电流的产生及其保护整定[J].电气应用,2008（12）:27-30.

[3]符国春,秦兵.一起高压异步电动机负序电流保护动作事故的原因分析[J].科技信息,2010(35):230，248.

[4]中国电力科学研究院.数字式电动机综合保护装置现场调试大纲[G].

[5]许继电气 WGB-650A微机电动机保护测控装置技术及使用说明书 Ver-1.00[Z]